(57)【要約】【課題】熱変位補正に有効な中立点の変更をより簡単な構成で実現可能とする。【解決手段】Ｓ１において特定位置ｘをＮＣ装置に入力し、Ｓ２で軸受ブラケットの温度を測定し、Ｓ３でθＮ演算装置でストローク範囲の外気温度上昇θＮを演算する。次に、Ｓ４において、Ｓ１〜３で得た値から、温度演算装置２０により熱変位補正に係る軸受ブラケットの適切な温度を求め、Ｓ５でＳ４の結果を各温度コントローラに指令する。そして、Ｓ６では、温度コントローラで適切な温度に調整された油が流路に流れることで、軸受ブラケットの温度が変化してボールねじ軸の温度分布が変更し、中立点Ｐが特定位置ｘに合致する熱変位補正が行われる。【選択図】図４
2010105131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予張力が付与された送りねじの回転により移動体を移動させて特定位置へ位置決めするねじ送り装置において、前記送りねじにおける熱変位のない中立点の位置を前記特定位置に合致させることにより、前記位置決め誤差を補正する熱変位補正方法であって、
前記送りねじの温度分布を任意に変更可能な温度分布変更手段を設け、その温度分布変更手段により前記温度分布を変更して前記中立点の位置を前記特定位置に合致させることを特徴とするねじ送り装置の熱変位補正方法。
【請求項２】
前記送りねじの温度分布を、前記送りねじの少なくとも一方の端部を加熱又は冷却することにより変更することを特徴とする請求項１に記載のねじ送り装置の熱変位補正方法。
【請求項３】
前記送りねじの温度分布を、前記送りねじの端部を夫々支持する支持部の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより変更することを特徴とする請求項１に記載のねじ送り装置の熱変位補正方法。
【請求項４】
前記送りねじの端部又は支持部の加熱又は冷却を、前記端部又は支持部に形成した流路に温度調整した流体を流すことにより行うことを特徴とする請求項２又は３に記載のねじ送り装置の熱変位補正方法。
【請求項５】
予張力が付与された送りねじの回転により移動体を移動させて特定位置へ位置決めすると共に、前記送りねじにおける熱変位のない中立点の位置を前記特定位置に合致させることにより、前記位置決め誤差を補正可能としたねじ送り装置であって、
前記送りねじの温度分布を任意に変更可能な温度分布変更手段を設け、その温度分布変更手段により前記温度分布を変更して前記中立点の位置を前記特定位置に合致させることを特徴とするねじ送り装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送りねじの回転により移動体をねじ送りして特定位置へ位置決めするねじ送り装置において、熱により生じる変位を補正して位置決め誤差を補正する方法及び当該方法を実行するねじ送り装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械には、送りねじをモータで回転させてテーブルなどの移動体をねじ送りするねじ送り装置が備えられている。この送りねじは、螺合されているナット部や送りねじを支持する軸受の発熱によって熱膨張し、移動体に位置決め誤差を生じさせるため、従来、送りねじに予張力を付与したり、発熱部の冷却や断熱を行ったりすることで、送りねじの熱膨張を抑えて位置決め誤差を抑制する方法が広く行われている。
しかし、送りねじに予張力を付与しても、送りねじの支持部がばね要素を有しているため、熱変位を完全に抑制することができず、移動体に位置決め誤差が生じてしまう。また、発熱部の冷却・断熱は、熱変位の完全な抑制のためには発熱部の全てに対して行う必要があるため、装置が高価になる。
そこで、本件出願人は、特許文献１において、送りねじが熱変位を起こしても予張力が付与されていれば、熱変位を起こす前と後とで位置変化のない静止点（中立点）が存在することに着目し、その中立点を支持剛性を変化させることで移動させて移動体の特定位置に合致させることにより、熱変位補正を行う方法を提案している。
【０００３】
【特許文献１】特許第３６８８７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示のような支持剛性の変化による中立点の変更は、熱変位補正には有効であるが、中立点の変更を自動化するに当たって支持剛性を変化させるための油圧・可動部を伴う機構を採用する必要があり、やはり装置が大掛かりになり高価になるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、熱変位補正に有効な中立点の変更をより簡単な構成で実現可能とし、熱変位補正がコンパクト且つ安価に行えるねじ送り装置の熱変位補正方法及びねじ送り装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、予張力が付与された送りねじの回転により移動体を移動させて特定位置へ位置決めするねじ送り装置において、前記送りねじにおける熱変位のない中立点の位置を前記特定位置に合致させることにより、前記位置決め誤差を補正する熱変位補正方法であって、
前記送りねじの温度分布を任意に変更可能な温度分布変更手段を設け、その温度分布変更手段により前記温度分布を変更して前記中立点の位置を前記特定位置に合致させることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、送りねじの温度分布を、前記送りねじの少なくとも一方の端部を加熱又は冷却することにより変更することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１の構成において、前記送りねじの温度分布を、前記送りねじの端部を夫々支持する支持部の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより変更することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の構成において、前記送りねじの端部又は支持部の加熱又は冷却を、前記端部又は支持部に形成した流路に温度調整した流体を流すことにより行うことを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、予張力が付与された送りねじの回転により移動体を移動させて特定位置へ位置決めすると共に、前記送りねじにおける熱変位のない中立点の位置を前記特定位置に合致させることにより、前記位置決め誤差を補正可能としたねじ送り装置であって、
前記送りねじの温度分布を任意に変更可能な温度分布変更手段を設け、その温度分布変更手段により前記温度分布を変更して前記中立点の位置を前記特定位置に合致させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、温度分布変更手段によって送りねじの温度分布を変更することにより、熱変位のない中立点の位置を移動体の特定位置に合致させることができる。従って、熱変位による移動体の位置決め誤差を効果的に補正可能となる。特に、温度分布変更手段の採用により、中立点の位置の変更が簡単な構成で実現可能となるため、熱変位補正をコンパクト且つ安価に行うことができる。また、送りねじの温度分布を変更しない状態では送りねじの熱膨張により予張力が開放されるおそれがあるが、ここでは温度コントロールをすることにより予張力の開放が免れるため、予張力による利点を維持できる効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械に設けられるねじ送り装置の概略図、図２は軸受ブラケットの説明図で、ねじ送り装置１は、送りねじとしてのボールねじ軸３と、ベース２上に設けられてボールねじ軸３の両端を軸支する支持部としての一対の軸受ブラケット４Ａ，４Ｂと、ボールねじ軸３に螺合するボールナット５上へ一体に固定される移動体としてのテーブル６とを備える。軸受ブラケット４Ｂにおいてボールねじ軸３の端部は、図示しないモータの出力軸に連結されており、ＮＣ装置２２によるモータの駆動指令でボールねじ軸３が回転し、ボールナット５及びテーブル６を軸方向へねじ送り可能となっている。
【０００９】
軸受ブラケット４Ａ，４Ｂは、ボールねじ軸３の端部側を開放させた有底筒状のブラケット本体７と、そのブラケット本体７に開放側から挿入固定される中筒８と、中筒８の端部に形成される段部９に位置決めされた軸受１０，１０とを有する。ボールねじ軸３は、ブラケット本体７及び中筒８を貫通して軸受１０，１０に軸支されると共に、端部側から外嵌されるカラー１１及びねじ込みされる押さえナット１２とによって軸方向に対して固定されている。そして、このボールねじ軸３には、公知の手段（例えば、ねじ軸側ボール転動溝のリードをナット側ボール転動溝のリードよりも僅かに小さくして、押さえナットの締め込みによってねじ軸を引張する等）を利用することによって予張力が付与されている。
【００１０】
また、軸受ブラケット４Ａ，４Ｂにおけるブラケット本体７の内周面と中筒８の外周面との間には、リング状の流路１３が夫々形成されている。この流路１３は、夫々給油源１４に接続されて油が供給されるもので、各流路１３と給油源１４との間の配管には温度コントローラ１５が夫々設けられている。さらに、各中筒８には、孔８ａが形成されて、ここに温度センサ１６が夫々挿入されている。
２０は、温度分布変更手段となる温度演算装置で、各温度センサ１６から検出信号が入力されると共に、θＮ演算装置２１からストローク範囲の外気温度上昇θＮと、ＮＣ装置２２からテーブル６の特定位置ｘとが夫々入力される。すなわち、温度演算装置２０は、後述する各軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの熱変位補正に係る適切な温度を演算し、その温度に従って各温度コントローラ１５を制御して各流路１３へ温度調整した油を供給させるようになっている。
【００１１】
この温度演算装置２０における温度の演算を以下具体的に説明する。
まず、ボールねじ軸３に予張力を付与した場合、各軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの支持剛性を夫々ＫＡ、ＫＢ、温度上昇をθＡ、θＢとし、ボールねじ軸３の剛性をＫＳ、ナットストロークによるボールねじ軸３の加熱を、ストローク長さＬＮの部分がθN温度上昇した外気に触れている状態と近似すると、軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの支点間距離（ここでは各ブラケットにおける軸受１０，１０の軸方向中間位置間の距離）がＬのとき、それぞれの温度上昇に対するボールねじ軸３の温度分布θ(ｘ)は以下のようになる。なお、このストローク範囲の外気温度上昇θNは、θＮ演算装置２１を用いて加工プログラムから発熱量を計算して推定される。
【００１２】
まず、軸受ブラケット４Ａの温度上昇θＡによるボールねじ軸３の温度上昇分布θ１(x)、軸受ブラケット４Ｂの温度上昇θＢによるボールねじ軸３の温度上昇分布θ２(x)、ストローク範囲の外気温度上昇θＮによるボールねじ軸３の温度上昇分布θ３(x)は、夫々以下の式（１）〜（３）（但し、式（３）は、特定位置ｘと距離ＬＳとの差の絶対値と、距離ＬＮ／２との比較結果によって（３ａ）若しくは（３ｂ）となる）で求める。
【００１３】
【数１】
2010105131.tif 000003
【００１４】
【数２】
2010105131.tif 000004
【００１５】
ここで、ｈ′及びｈは以下の式（４）（５）から得られる。
【００１６】
【数３】
2010105131.tif 000005
【００１７】
以上より、ボールねじ軸３の任意の特定位置ｘにおける温度θ(x)は、以下の式（６）となる。
【００１８】
【数４】
2010105131.tif 000006
【００１９】
このことから、テーブル６の移動に伴うボールねじ軸３全長の温度上昇に対する伸びδは、前述の温度分布関数を用いた以下の式（７）で表される。
【００２０】
【数５】
2010105131.tif 000007
【００２１】
よって、ボールねじ軸３がδだけ熱膨張したとき、軸受ブラケット４Ａから任意の特定位置ｘにおけるボールねじ軸３の位置変化、すなわち位置決め誤差ε(x)は以下の式（８）のようになる。
【００２２】
【数６】
2010105131.tif 000008
【００２３】
すなわち、位置決め誤差ε(x)＝０となる特定位置ｘが中立点Ｐであり、以上の関係からボールねじ軸３の温度分布θ(x)を変化させることによって、中立点Ｐの位置が変更可能である。図３に、計算により求めた軸受ブラケット４Ａの温度上昇θＡと中立点Ｐとの位置変化の関係を示す。計算条件は以下に示す通りである。
【００２４】
軸受ブラケット４Ａの剛性 ＫＡ＝１０００[Ｎ/μm]
軸受ブラケット４Ｂの剛性 ＫＢ＝１０００[Ｎ/μm]
ボールねじ軸の剛性 ＫＳ＝２００[Ｎ/μm]
軸受ブラケット４Ａの温度上昇  θＡ＝２，４，６[℃]
軸受ブラケット４Ｂの温度上昇  θＢ＝５ [℃]
ストローク範囲の外気温度上昇  θＮ＝５[℃]
ストローク距離  ＬＮ＝１００[mm]
ストローク中心  ＬＳ＝２００[mm]
ボールねじ外径(半径値) Ｒ＝３０[mm]
ボールねじ内径(半径値) r＝０[mm]
【００２５】
図３から、軸受ブラケット４Ａの温度θ１(x)を上昇・下降させることにより、中立点Ｐが軸受ブラケット４Ａ側（図３での左側）・４Ｂ側（同右側）へ変化していることがわかる。同様に、軸受ブラケット４Ｂの温度θ２(x)を上昇・下降させることにより、中立点Ｐを軸受ブラケット４Ｂ・４Ａ側へと変化させることができることになる。
【００２６】
従って、例えば軸受ブラケット４Ａの剛性ＫＡ＝１０００[Ｎ/μm]、軸受ブラケット４Ｂの剛性ＫＢ＝１０００[Ｎ/μm]、ボールねじ軸剛性ＫＳ＝２００[Ｎ/μm]、軸受ブラケット４Ａの温度上昇θＡ＝２[℃]、軸受ブラケット４Ｂの温度上昇θＢ＝６[℃]、ストローク範囲の外気温度上昇θＮ＝２[℃]とすると、中立点Ｐは軸受ブラケット４Ａの中心から２００[mm]である。
ここから中立点Ｐを、軸受ブラケット４Ａの中心から８８[mm]となる特定位置ｘに移動させたい場合、軸受ブラケット４Ａの温度上昇θＡ＝２[℃]を４[℃]に加熱することによって可能である。よって、中立点Ｐの位置を軸受ブラケット４Ａに近づけたい場合は、軸受ブラケット４Ａにおける流路１３に流れる油の温度を上昇させるか、軸受ブラケット４Ｂにおける流路１３の油の温度を下降させる。逆に遠ざけたい場合は、それぞれ軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの流路１３に流れる油に対し、近づけたい場合とは逆の温度変化を与えてやることによって、中立点Ｐをテーブル６の特定位置ｘに合致させれば、テーブル６の位置決め誤差を０或いは低減することができる。
【００２７】
以上の如く構成されたねじ送り装置１における熱変位補正方法を、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１において、特定位置ｘをＮＣ装置２２に入力した後、Ｓ２で温度センサ１６から軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの温度を夫々測定し、Ｓ３でθＮ演算装置２１で加工プログラムによりストローク範囲の外気温度上昇θＮを演算する。次に、Ｓ４において、Ｓ１〜３で得た値から、上述の如く温度演算装置２０により熱変位補正に係る軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの適切な温度を求め、Ｓ５でＳ４の結果を各温度コントローラ１５に指令する。
そして、Ｓ６では、各温度コントローラ１５で適切な温度に調整された油が流路１３に流れることで、軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの温度が変化してボールねじ軸３の温度分布が変更する。よって、中立点Ｐが特定位置ｘに合致する熱変位補正が行われることになる。
【００２８】
このように、上記形態のねじ送り装置１の熱変位補正方法によれば、温度演算装置２０によってボールねじ軸３の温度分布を変更することにより、熱変位のない中立点の位置をテーブル６の特定位置に合致させることができる。従って、熱変位によるテーブル６の位置決め誤差を効果的に補正可能となる。特に、温度分布変更手段となる温度演算装置２０の採用により、中立点の位置の変更が簡単な構成で実現可能となるため、熱変位補正をコンパクト且つ安価に行うことができる。
また、本形態では、軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの温度コントロールをしない状態ではボールねじ軸３の熱膨張により予張力が開放されるおそれがあるが、ここでは温度コントロールをすることにより予張力の開放が免れるため、予張力による利点を維持できる効果も得られる。
【００２９】
なお、上記形態では、軸受ブラケット４Ａ，４Ｂに対し夫々温度変化を与えてやることによって中立点Ｐを移動させているが、何れか一方の軸受ブラケット４Ａ，４Ｂのみに流路１３を設けて片側の温度変化だけで中立点Ｐを移動させることもできる。
また、上記形態では、軸受ブラケットの温度を変化させて中立点を可変としているが、ボールねじ軸の温度を直接変化させることによっても中立点を可変とすることもできる。以下にその変更例について説明する。
【００３０】
図５に示す軸受ブラケット４Ａにおいては、ブラケット本体７にリング１７を同軸で固定してそのリング１７の内部に、上記形態と同様に温度コントローラ１５に接続される流路１３を設けて、温度コントローラ１５により温度調整された油を流し、熱交換を行わせることによりリング１７の温度をコントロール可能となっている。このリング１７はボールねじ軸３に対し微小な隙間１８を有しており、その隙間１８とボールねじ軸３の回転による熱伝達率の上昇により、リング１７とボールねじ軸３の熱伝達を大きくしている。これにより、リング１７の温度変化によってボールねじ軸３におけるリング１７近傍の温度がコントロール可能となっている。このリング１７は、他方の軸受ブラケット４Ｂにおいても同様に設けられている。
【００３１】
従って、この変更例においても、図４に示したフローチャートと同様の処理を行い、Ｓ６で、中立点Ｐの位置を軸受けブラケット４Ａに近づけたい場合は、当該側のリング１７における流路１３に流れる油の温度を上昇させるか、軸受ブラケット４Ｂ側のリング１７における流路１３の油の温度を下降させる。逆に遠ざけたい場合は、それぞれ両端リング１７の流路１３に流れる媒体に対し、近づけたい場合とは逆の温度変化を与えてやることによって、熱変位補正方法を実施でき、中立点Ｐを移動体の特定位置ｘに合致させることができる。よって、テーブル６の位置決め誤差を０或いは低減することができる。
勿論この場合もリング１７は軸受ブラケット４Ａ，４Ｂの何れか一方のみに設けて当該側のリング１７の流路に対し温度変化を与えてやることによっても、中立点Ｐの移動が可能である。
【００３２】
その他、上記形態やその変更例では、温度をコントロールされた媒体を使用することにより軸受ブラケット若しくはボールねじ軸の温度をコントロールしていたが、加熱の場合はヒータや、ボールねじ軸の回転により発生する摩擦熱を利用したり、冷却の場合はファンを用いたり、といったように、媒体を使用する以外の手段によりボールねじ軸部両端に温度変化を与えるようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ねじ送り装置の概略図である。
【図２】軸受ブラケットの説明図である。
【図３】計算により求めた軸受ブラケットの温度上昇値と中立点Ｐの位置変化との関係を示す図である。
【図４】熱変位補正方法のフローチャートである。
【図５】変更例の軸受ブラケットの説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・ねじ送り装置、２・・ベース、３・・ボールねじ軸、４Ａ，４Ｂ・・軸受ブラケット、５・・ボールナット、６・・テーブル、７・・ブラケット本体、８・・中筒、１０・・軸受、１３・・流路、１４・・給油源、１５・・温度コントローラ、１６・・温度センサ、１７・・リング、２０・・温度演算装置、２１・・θＮ演算装置、２２・・ＮＣ装置。
【図１】
2010105131.tif 000009
【図２】
2010105131.tif 000010
【図３】
2010105131.tif 000011
【図４】
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【図５】
2010105131.tif 000013